Общая архитектура современных микропроцессорных систем icon

Общая архитектура современных микропроцессорных систем


Скачать 29.37 Kb.
НазваниеОбщая архитектура современных микропроцессорных систем
Размер29.37 Kb.
ТипДокументы

Оглавление








  1. Общая архитектура современных микропроцессорных систем.


Типовая архитектура микропроцессорного устройства и ее основные элементы: шины данных, адреса, управления, память, порты ввода/вывода

Процессор - это основной управляющий элемент всей схемы.

ОЗУ. Для хранения информации в них используются миниатюрные конденсаторы, выполненные интегральным способом на кристалле кремния. Входной сигнал при помощи дешифратора подается на этот конденсатор и, если это логическая единица, то конденсатор заряжается. Если логический ноль, то разряжается.

ПЗУ. Принцип хранения информации основан на пережигании внутренних перемычек в специальных микросхемах. Если перемычка есть, то это значит, что в данной ячейке хранится единичный бит информации. Если она прожжена, то в ячейке ноль. Процессор может только читать информацию из ПЗУ.

Порты ввода/вывода (или просто порты) - это обыкновенные регистры. Они служат для того, что бы микропроцессорная система могла управлять, какими-нибудь внешними устройствами

^ Шина данных - шина предназначена для передачи данных от микропроцессора к периферийным устройствам ((ОЗУ и ПЗУ) и порты ввода/вывода) и обратно.

Шина адреса служит для определения адреса (номера) устройства, с которым процессор обменивается информацией в данный момент. Каждому устройству (кроме процессора), каждой ячейке памяти в микропроцессорной системе присваивается собственный адрес. Когда код какого-то адреса выставляется процессором на шине адреса, устройство, которому этот адрес приписан, понимает, что ему предстоит обмен информацией.

Шина управления не имеет такой же четкой структуры, как шина данных или шина адреса. В шину управления условно объединяют набор линий, передающих различные управляющие сигналы от процессора на все периферийные устройства и обратно. (управляющие сигналы могут использоваться для подтверждения приема данных, для сброса всех устройств в исходное состояние)

  1. ^ Основные программно-доступные элементы микропроцессорной системы.

- Ячейки памяти для хранения 1 байта информации (для разных архитектур по разному), имеет свой адрес, по которому к ней можно обращаются.

- Счетчик команд (СК) используется для хранения информации об адресе той ячейки памяти, в которой находится очередная команда программы.

- Регистры общего назначения (РОН) могут использоваться для временного хранения промежуточных результатов, для выполнения арифметических операций с числами двойной разрядности, для регистровой адресации ячеек памяти и многих других целей.

- Порты вв/в служат для преобразования двоичной информации в какие-либо физические сигналы и обратно.

- Внутренняя память – память, которая находится на системной плате и платах расширения.

- Внешняя память – все устройства, которые не находятся непосредственно на системной плате.

  1. ^ Особенности Гарвардской и Принстонской архитектуры построения микропроцессорных систем.

Архитектура была разработана в конце 1930-х годов в Гарвардском университете.

^ Гарвардская архитектура — отличается разделением памяти программ и памяти данных. При этом разрядность памяти программ и памяти данных, а также шины доступа к ним, различны. Это позволяет одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие компьютера, процессор может читать инструкции и выполнять доступ к памяти данных в то же самое время, даже без кэш-памяти. (микроконтроллерах, таких, как Microchip PIC, Atmel AVR)

^ Принстонская архитектура — характеризуется общим пространством памяти для хранения данных и программы. При этом разрядность памяти зафиксирована.

В чистой архитектуре фон Неймана процессор одномоментно может либо читать инструкцию, либо читать/записывать единицу данных из/в памяти. То и другое не может происходить одновременно, поскольку инструкции и данные используют одну и ту же системную шину. Современные CISC-процессоры обладают раздельной кэш-памятью 1-го уровня для инструкций и данных, что позволяет им за один рабочий такт получать одновременно и команду, и данные для её выполнения. То есть процессорное ядро, формально, является гарвардским, но программно оно фон-неймановское, что упрощает написание программ.

^ Принципы принстонской архитектуры

Принцип однородности памяти 

Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Принцип адресуемости памяти 

Основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

Принцип последовательного программного управления 

Предполагает, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Принцип жесткости архитектуры 

Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.


  1. ^ Программная модель 16-разрядного микропроцессора i8086.

16-разрядного микропроцессор, позволяющий создавать многопроцессорные системы. Процессор интересует нас, прежде всего, как набор регистров.

Процессор разбит на два функциональных блока - операционный и интерфейсный, которые работют одновременно. В результате исполнение одной команды совмещалось во времени с выборкой следующей инструкции или данных из памяти.

Регистр – быстродействующее запоминающее устройство, реализованное на электронных компонентах.

Все регистры имеют размер слова (16 разрядов), за каждым из них закреплено определенное имя. По назначению и способу использования регистры можно разбить на следующие группы:

регистры общего назначения (AX, BX, CX, DX, SI, DI, BP, SP);

Особенностью регистров общего назначения является то, что их можно использовать в любых арифметических, логических и т.п. машинных операциях.

сегментные регистры (CS, DS, SS, ES); Эти регистры используются для сегментирования адресов, которое является разновидностью модификации адресов и которое используется для сокращения размера команд. Процессор I8086 мог работать с 1 Мб памяти, т.е. 220 байтов (k=20), поэтому абсолютные адреса 20-разрядные. Размер сегмента должен быть равен 64 Кб, т.е. 216 байтов (m=16), поэтому смещения (или эффективный адрес) - это 16-разрядные адреса. Так как существует всего четыре сегментных регистра, то одновременно можно работать с четырьмя сегментами памяти. Если же надо работать с большим числом сегментов, то сохраняем содержимое сегментных регистров в обычных регистрах или в памяти, а затем записываем в них адреса нужных сегментов. Позже, если надо, можно восстановить прежние значения сегментных регистров.

указатель команд (IP);

В регистре IP всегда находится адрес команды, которая должна быть выполнена следующей. Более точно, в IP находится адрес этой команды, отсчитанный от начала сегмента команд, на начало которого указывает регистр CS. Поэтому абсолютный адрес этой команды определяется парой регистров CS и IP. Изменение любого из этих регистров есть ничто иное, как переход. Следовательно, содержимое регистра IP (как и CS) можно менять только командами перехода.

регистр флагов (Flags).

Флаг - это бит, принимающий значение 1 ("флаг установлен") или значение 0 ("флаг сброшен"). В i8086 используется 9 флагов, собранных в один 16-разрядный регистр, называемый регистром флагов (Flags)

Флаги делятся на две группы: флаги условий и флаги состояний.

Флаги условий:

  • CF   (carry flag) - флаг переноса. Наиболее полезен в арифметических операциях над числами без знака; например, если при сложении беззнаковых чисел получилась слишком большая сумма - с единицей переноса, которой нет места в ячейке, тогда флаг CF принимает значение 1, а если сумма "укладывается" в размер ячейки, то значением CF будет 0.

  • OF   (overflow flag) - флаг переполнения. Полезен в арифметических операциях над числами со знаком; например, если при сложении или вычитании знаковых чисел получился результат, по модулю превосходящий допустимую величину (произошло переполнение мантиссы), тогда флаг OF получает значение 1, а если переполнения мантиссы не было - значение 0.

  • ZF   (zero flag) - флаг нуля. Устанавливается в 1, если результат команды оказался нулевым.

  • SF   (sign flag) - флаг знака. Устанавливается в 1, если в операции над знаковыми числами получился отрицательный результат.

  • PF   (parity flag) - флаг четности. Равен 1 , если в 8 младших битах результата очередной команды содержится четное количество двоичных единиц.

  • AF   (auxiliary carry flag) - флаг дополнительного переноса. Фиксирует особенности выполнения операций над двоично-десятичными числами.

Флаги состояний:

  • DF   (direction flag) - флаг направления. Устанавливает направление просмотра строк в строковых командах: при DF=0 строки просматриваются "вперед" (от начала к концу), при DF=1 - в обратном направлении.

  • IF   (interrupt flag) - флаг прерываний. При IF=0 процессор перестает реагировать на поступающие к нему прерывания, а при IF=1 блокировка прерываний снимается.

  • TF   (trace flag) - флаг трассировки. При TF=1 после выполнения каждой команды процессор делает прерывание, чем можно воспользоваться при отладке программы.

Например, команда деления требует, чтобы первый операнд (делимое) находился в регистре AX или регистрах AX и DX (в зависимости от размера операнда), а команды управления циклом используют регистр CX в качестве счетчика цикла. Регистры AX, BX, CX и DX устроены так, что возможен независимый доступ к их старшей и младшей половинам. Обозначают эти половины буквами H (high - выше, старший) и L (low - ниже, младший) и первой буквой из названия регистра: AH и AL - в AX, BH и BL - в BX и т.д.


Приведем расшифровку названий регистров:

AX   accumulator, аккумулятор;
BX   base, база;
CX   counter, счетчик;
DX   data, данные;

(буква X - от слова eXtended, расширенный: в процессоре 8080 были байтовые регистры A, B, C и D, но затем их расширили до размера слова)

SI   source index, индекс источника;
DI   destination index, индекс приемника;
BP   base pointer, указатель базы;
SP   stack pointer, указатель стека;

IP   instruction pointer, указатель команд;

SS   stack segment, сегмент стека;
DS   data segment, сегмент данных;
CS   code segment, сегмент команд;
ES   extra segment, дополнительный сегмент.


  1. ^ Методы адресации. Безоперандные команды.

При обмене информацией с памятью процессор обращается к ячейкам ОЗУ по их адресам. Способы задания требуемых адресов в командах ЭВМ принято называть методами адресации. От видов и разнообразия методов адресации зависит эффективность работы с данными.

непосредственная адресация (вместо адреса содержится непосредственно сам операнд), прямая (адресный код прямо указывает номер ячейки памяти), регистровая адресация (адресное поле инструкции указывает регистр процессора), косвенная (указывается адрес ячейки, содержащей адрес операнда), косвенная регистровая адресация (адрес операнда хранится в регистре), адресация со смещением (исполнительный адрес формируется в результате суммирования содержимого адресного поля команды с содержимым одного или нескольких регистров), косвенная со смещением(КА+смещение), индексная(А+индекс), индексная со смещением (А+смещение+индекс)

Безоперандные команды

- неявной адресацией, например обработки строк, в которых строка–источник и строка-приемник неявно адресуются с использованием регистров SI и DI соответственно. (MOVS – пересылка строки, LODS – загрузка строки, STOS – запись в память строки, CMPS – сравнение строк, SCAS – сканирование строки)

- не использующие операндов. Пример RET (return) возврат из процедуры (которая в зависимости от вида возврата: типа NEAR (ближний или внутрисегментный) или FAR (дальний, межсегментный) восстанавливает из стека либо только содержимое регистра IP (NEAR), либо содержимое IP и CS (FAR)).

Команды управления машиной

HALT – Команда остановки процессора, ожидание аппаратного прерывания.

WAIT – По этой команде процессор временно прекращает выполнение программы и переходит в режим ожидания прерывания. (Данная    операция необходима для обеспечения синхронизации процессора с внешним  устройством)

RESET – По этой команде все внешние устройства устанавливаются в состояние, которое они имеют после включения питания, после чего процессор возобновляет работу.

NOP – По этой команде процессор не выполняет никаких действий и переходитк выполнению следующей команды.

  1. ^ Методы адресации (см 5). Регистровая адресация.

Регистровая адресация (РА), адресное поле инструкции указывает не на ячейку памяти (прямая адресация), а на регистр (R) процессора.




Двумя основными преимуществами регистровой адресации являются: короткое адресное поле в команде и исключение обращений к памяти. Время выборки операнда из регистра общего назначения существенно меньше, чем из ячейки памяти. К сожалению, возможности по использованию регистровой адресации ограничены малым числом РОН в составе процессора. (Пример mov AX,BX; в BX содержится некоторый операнд)


  1. ^ Методы адресации (см 5). Регистровая косвенная адресация.

Косвенная регистровая адресация (КРА) представляет собой косвенную адресацию, где исполнительный адрес операнда хранится не в ячейке основной памяти, а в регистре процессора. Соответственно, адресное поле команды указывает не на ячейку памяти, а на регистр:

http://gendocs.ru/docs/28/27526/conv_1/file1_html_21350a42.gif

Достоинства и ограничения косвенной регистровой адресации те же, что и у обычной косвенной адресации, но благодаря тому, что косвенный адрес хранится не в памяти, а в регистре, для доступа к операнду требуется на одно обращение к памяти меньше.

(Пример mov AX,[BX]; в BX перемещает в регистр AX слово из ячейки памяти, селектор сегмента которых находиться в DS, а смещение в BX)

Применяется для пошагового просмотра списков.

  1. ^ Методы адресации (см 5). Индексная адресация.

Индексная — метод адресации, при котором актуальный (исполнительный) адрес формируется путем прибавления к базовому адресу содержимого индексного регистра. Используется при программировании на языке Ассемблер: в индексный регистр закладывается базовый адрес, а в команде указывается число, которое необходимо прибавить к базовому адресу, чтобы получить адрес нужных сведений.

При ее использовании в адресной части команды выделяются три поля: база (base), индекс (index) и смещение (displacement), а исполнительный адрес формируется как сумма из трех компонент. Поля base и index команды содержат адреса РОН. Частным случаем базово-индексной адресации является отсутствие смещения и формирование адреса из двух компонент (база и индекс). Для уточнения этого случая соответствующий режим адресации принято называть базово-индексной адресацией без смещения.

Индексная адресация. (EA = Index+disp),Базово-индексная адресация без смещения. (ЕА = Base+Index), Базово-индексная адресация со смещением. (ЕА=Base+Index+disp)

(Пример mov AX,[BX+SI];помещает в регистр AX слово, которое есть в сегменте с указанием DS со смещением на SI больше чем число из BX)

Применяется для пошагового просмотра массивов.

Похожие:

Общая архитектура современных микропроцессорных систем iconОбщая архитектура современных микропроцессорных систем
...
Общая архитектура современных микропроцессорных систем iconКраткое техническое описание проекта ReactOS
Операционная система, реализуемая в рамках этого проекта, базируется на современной архитектуре проектирования операционных систем....
Общая архитектура современных микропроцессорных систем iconАрхитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение
Так, разработаны новые микропроцессорные вычислительные средства, являющиеся основой микроэвм и персональных ЭВМ. В связи с этим...
Общая архитектура современных микропроцессорных систем iconН. н родина архитектура 1 Теоретический курс для студентов специальности 050420 «Архитектура»
Родина Н. Н. Архитектура Теоретический курс для студентов специ- альности 050420 «Архитектура». – Усть- каменногорск: вкгту, 2010....
Общая архитектура современных микропроцессорных систем iconОперационной (производственной) функции
Предметом анализа также станут такие проблемы как разработка производственной стратегии и проектирование операционных систем, особенности...
Общая архитектура современных микропроцессорных систем iconРаспоряжение «29» декабря 2012 г. №68 Ростов-на-Дону о проведении итогового государственного экзамена для студентов 5 курса направления 270300 «Архитектура» (бакалавриат), специальности 270301 «Архитектура»
Провести для студентов 5 курса факультета архитектуры и градостроительства направления 270300 «Архитектура» (бакалавриат), специальности...
Общая архитектура современных микропроцессорных систем iconСтруктура ЭВМ с одной магистралью. Интерфейс с общей шиной
Архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе. Информационная связь между устройствами...
Общая архитектура современных микропроцессорных систем iconСписок вузов России с программами высшей архитектурной подготовки направление подготовки «Архитектура» 270100. 62
Астрахань, ул. Татищева, 16 а, агту, 3 учебный корпус, 2 этаж, ауд. №221, кафедра «Архитектура»
Общая архитектура современных микропроцессорных систем iconВопросы к экзамену по курсу «Информационные системы и сети»
Назначение информационных систем. Понятие информационно-поисковых систем и систем обработки данных
Общая архитектура современных микропроцессорных систем iconТема: «Модели серверов баз данных»
Поэтому изначально в архитектуре систем не было адекватного механизма организации взаимодействия процессов типа "клиент" и процессов...
Общая архитектура современных микропроцессорных систем iconЧто относится к проявлениям глобальных проблем современного общества? 1 достижения науки в разработке современных лекарств 2 развитие национальных систем образования
Основу экономики страны z составляет промышленное производство. Быстро растет население городов. Граждане добились от государства...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Документы


При копировании материала укажите ссылку ©ignorik.ru 2015

контакты
Документы